Baterie „cuantică”
În perioada 26 februarie - 28 februarie, Tokyo găzduiește o expoziție de drive-uri, care, printre altele, este reprezentată de Micronics Japan Co. Ltd. Se știe puțin despre evoluțiile sale anterioare, dar cel mai recent a anunțat că a dezvoltat și pregătit pentru producție un nou tip de baterie stratificată. Singura celulă pe care compania o demonstrează este un film semiconductor cu oxid de metal de tip n care folosește dioxid de titan, dioxid de staniu și particule de oxid de zinc acoperite cu un film izolator. Prototipul folosește o tablă de oțel inoxidabil de 10 microni, dar în curând va fi înlocuit cu aluminiu.
Dezvoltatorii și-au numit bateria Quantum pentru a sublinia natura sa fizică, mai degrabă decât chimică. Deși folosește electroni pentru a stoca energie în loc de ioni, această baterie este diferită în principiu de condensatori. Se susține că sistemul se bazează pe stocarea electronilor „în intervalul de bandă” al unui semiconductor.
În producția de structuri „metal - oxid - semiconductor”, stratul de încărcare al dispozitivului de stocare este iradiat cu lumină ultravioletă. După fabricație, în timpul încărcării, electronii ocupă niveluri de energie libere în materialul de lucru și sunt depozitați acolo până când bateria trebuie descărcată. Rezultatul este bateriile reîncărcabile cu o densitate foarte mare de stocare a energiei.
Nu se știe ce au probele de testare, dar dezvoltatorul susține că probele seriale care vor apărea în viitorul apropiat vor avea o capacitate de până la 500 W h / l și în același timp vor putea livra până la 8.000 de wați de putere de vârf pe litru de volum.
Aceste unități combină cele mai bune caracteristici ale bateriilor și supercondensatorilor. Chiar și cu o capacitate mică, vor putea furniza o putere de vârf ridicată. Tensiunea eliminată de la astfel de unități nu scade pe măsură ce sunt descărcate, ci rămâne stabilă până la capăt.
Temperatura de funcționare declarată este cuprinsă între -25 și +85 ° C. Bateria poate fi supusă la 100 de mii de cicluri de încărcare-descărcare până când capacitatea scade sub 90% din original. Capacitatea de a extrage și elibera rapid energie va reduce considerabil timpul de încărcare. În plus, aceste baterii sunt ignifuge. Materiale rare sau scumpe nu sunt utilizate în producția sa. În general, există atât de multe plusuri, încât nici nu-mi vine să cred.
Baterie cu autoîncărcare
Un grup de cercetători condus de Zhong Lin Wang de la Georgia Institute of Technology (SUA) a creat o baterie cu autoîncărcare care nu necesită conectarea la o priză pentru reîncărcare.
Dispozitivul este încărcat prin impact mecanic sau, mai bine zis, prin apăsare. Este planificat să fie utilizat pe smartphone-uri și alte dispozitive tactile.
Dezvoltatorii și-au plasat dispozitivul sub tastele calculatorului și au reușit să-și asigure operabilitatea în 24 de ore din cauza energiei generate de apăsarea butoanelor.
Bateria este un „prirog” realizat din folii de fluorură de poliviniliden și zirconat-titanat-plumb cu o grosime de câteva sute de micrometri. Când sunt presați, ionii de litiu migrează de la catod la anod datorită efectului piezoelectric. Pentru a îmbunătăți eficiența prototipului, cercetătorii au adăugat nanoparticule la materialul său piezoelectric, care sporesc efectul corespunzător și au obținut o creștere semnificativă a capacității și vitezei de reîncărcare a dispozitivului.
Trebuie să înțelegeți că bateria este opacă, deci poate fi plasată numai sub butoane sau sub ecran.
Bateria nu are caracteristici atât de remarcabile ca dispozitivul descris anterior (acum capacitatea unei baterii de dimensiunea unei „tablete” standard pentru plăci de bază a crescut de la 0,004 inițial la 0,010 mAh), dar dezvoltatorii promit să lucreze mai mult la eficienţă. Proiectele industriale sunt încă departe, deși ecranele flexibile - principalele dispozitive în care dezvoltatorii intenționează să-și plaseze bateriile - sunt încă slab distribuite. Mai este timp să finalizați invenția și să o introduceți în producție.
Baterie de zahăr
Se pare că doar asiaticii dezvoltă baterii. Prototipul unei alte baterii neobișnuite a fost creat la Universitatea Politehnică Americană din Virginia.
Această baterie funcționează în esență pe zahăr, mai exact pe maltodextrină, o polizaharidă obținută ca urmare a hidrolizei amidonului. Catalizatorul dintr-o astfel de baterie este o enzimă. Este mult mai ieftin decât platina, care este acum utilizată în bateriile convenționale. O astfel de baterie aparține tipului de celule de combustibil enzimatice. Electricitatea este produsă aici prin reacția oxigenului, a aerului și a apei. Spre deosebire de celulele cu combustibil cu hidrogen, enzimele sunt neinflamabile și neexplozive. Și după ce bateria se epuizează, potrivit dezvoltatorilor, poate fi alimentată cu zahăr.
Se știe puțin despre caracteristicile tehnice ale acestui tip de baterie. Se afirmă doar că densitatea de energie din ele este de câteva ori mai mare decât în cazul bateriilor convenționale litiu-ion. Costul acestor baterii este semnificativ mai mic decât cele convenționale, astfel încât dezvoltatorii sunt încrezători că vor găsi o utilizare comercială în următorii 3 ani. Să așteptăm promisul.
Baterie cu structură de grenadă
Dar oamenii de știință de la Laboratorul Național de Accelerare American SLAC de la Universitatea Stanford au decis să crească volumul bateriilor convenționale, folosind structura unei grenade.
Dezvoltatorii au redus cât mai mult dimensiunea anodilor și au plasat fiecare dintre ei într-o carcasă de carbon. Acest lucru previne distrugerea lor. În timpul încărcării, particulele se extind și se combină în grupuri, care sunt plasate și într-o carcasă de carbon. Ca urmare a unor astfel de manipulări, capacitatea acestor baterii este de 10 ori mai mare decât a bateriilor convenționale litiu-ion.
Experimentele arată că, după 1000 de cicluri de încărcare / descărcare, bateria își păstrează 97% din capacitatea inițială.
Dar este prea devreme pentru a vorbi despre aplicația comercială a acestei tehnologii. Nanoparticulele de siliciu sunt prea scumpe de fabricat, iar procesul de creare a acestor baterii este prea complicat.
Baterii atomice
Și, în cele din urmă, vă voi spune despre dezvoltare Oameni de știință britanici... Au decis să-și depășească colegii prin crearea unui reactor nuclear în miniatură. Un prototip de baterie atomică, creat de cercetătorii de la Universitatea din Surrey pe baza tritiului, produce suficientă energie pentru a opera un telefon mobil timp de 20 de ani. Adevărat, nu îl veți putea reîncărca mai târziu.
În baterie, care este un microcircuit integrat, are loc o reacție nucleară, în urma căreia se generează 0,8 - 2,4 wați de energie. Temperatura de funcționare a bateriei este cuprinsă între -50 și +150. În același timp, nu se teme de schimbările bruște de temperatură și presiune.
Dezvoltatorii susțin că tritiul, care este conținut în baterie, nu este periculos pentru oameni, deoarece acolo este foarte puțin conținut. Cu toate acestea, este prea devreme să vorbim despre producția în masă a unor astfel de surse de alimentare - oamenii de știință trebuie să efectueze încă multe cercetări și testări.
Concluzie
Desigur, nu toate tehnologiile de mai sus își vor găsi aplicația, cu toate acestea, trebuie să înțelegem că în următorii câțiva ani ar trebui să se producă o descoperire în tehnologia producției de baterii, ceea ce va atrage o creștere a proliferării vehiculelor electrice și a producției de smartphone-uri și alte dispozitive electronice de un nou tip.
La începutul anilor 90, a avut loc un pas major în tehnologia bateriilor - invenția dispozitivelor de stocare a energiei litiu-ion. Acest lucru ne-a permis să vedem smartphone-uri și chiar mașini electrice în forma în care există acum, dar de atunci nu s-a inventat nimic serios în acest domeniu, acest tip este încă folosit în electronică.
La un moment dat, bateriile Li-ion cu capacitate crescută și lipsă de „efect de memorie” au fost într-adevăr o descoperire în tehnologie, dar acum nu mai pot face față sarcinii crescute. Există din ce în ce mai multe smartphone-uri cu funcții noi și utile care, în cele din urmă, măresc încărcarea bateriei. În același timp, vehiculele electrice cu astfel de baterii sunt încă prea scumpe și ineficiente.
Pentru ca smartphone-urile să funcționeze mult timp și să rămână mici, sunt necesare baterii noi.
Baterii cu electrozi lichizi
Una dintre încercările interesante de a rezolva problemele bateriilor tradiționale este dezvoltarea bateriilor „cu flux” cu electrolit lichid. Principiul de funcționare al acestor baterii se bazează pe interacțiunea a două lichide încărcate, antrenate de pompe printr-o celulă, unde este generat un curent electric. Lichidele din această celulă nu se amestecă, ci sunt separate de o membrană prin care trec particulele încărcate, la fel ca într-o baterie convențională.
Bateria poate fi încărcată în mod obișnuit sau umplută cu un electrolit nou încărcat, în acest caz, procedura va dura doar câteva minute, cum ar fi turnarea benzinei într-un rezervor de benzină. Această metodă este potrivită în primul rând pentru o mașină, dar și utilă pentru electronice.
Baterii de sodiu
Principalele dezavantaje ale bateriilor litiu-ion sunt costul ridicat al materialelor, un număr relativ mic de cicluri de descărcare-încărcare și pericolul de incendiu. Prin urmare, oamenii de știință încearcă să îmbunătățească această tehnologie de mult timp.
În Germania, se lucrează acum la bateriile de sodiu, care ar trebui să fie mai durabile, mai ieftine și mai capabile. Electrozii noii baterii vor fi asamblate din diferite straturi, ceea ce permite încărcarea rapidă a bateriei. În prezent, este în desfășurare o căutare pentru un design al electrodului mai fiabil, după care va fi posibil să se concluzioneze dacă această tehnologie va intra în producție sau dacă o altă dezvoltare va fi mai bună.
Baterii cu sulf de litiu
O altă noutate este bateriile litiu-sulf. Este planificată utilizarea unui catod de sulf în aceste baterii, ceea ce va însemna o reducere semnificativă a costului bateriei. Aceste baterii sunt deja într-o stare de pregătire ridicată și ar putea intra în curând în producție de serie.
În teorie, bateriile litiu-sulf pot atinge capacități de energie mai mari decât bateriile litiu-ion, care și-au atins deja limita. Este foarte important ca bateriile litiu-sulf să poată fi descărcate complet și depozitate pe termen nelimitat într-o stare complet descărcată fără efect de memorie. Sulful este un produs secundar al rafinării petrolului, noile baterii nu vor conține metale grele (nichel și cobalt), noua compoziție a bateriilor va fi mai ecologică și bateriile vor fi mai ușor de eliminat.
În curând se va ști care tehnologie va fi cea mai promițătoare și va înlocui vechile baterii litiu-ion.
Între timp, vă invităm să vă familiarizați cu profesia populară.
Consumul specific de energie al bateriilor moderne litiu-ion atinge 200 W * h / kg. În medie, acest lucru este suficient doar pentru 150 de kilometri fără reîncărcare, ceea ce nu poate fi comparat cu kilometrajul la o realimentare a mașinilor cu un motor convențional cu ardere internă. Pentru ca vehiculele electrice să devină obișnuite, acestea trebuie să aibă un kilometraj comparabil. Pentru a face acest lucru, trebuie să aduceți consumul specific de energie al bateriilor la cel puțin 350-400 W * h / kg. Tipurile promițătoare de baterii descrise mai jos îl vor putea furniza, deși în fiecare caz există „daruri”.
Bateriile cu litiu-sulf se disting printr-o capacitate specifică mare, ceea ce este o consecință a faptului că în procesul unei reacții chimice, fiecare moleculă renunță nu la unul, ci la doi electroni liberi. Energia lor teoretică specifică este de 2600 W * h / kg. În plus, astfel de baterii sunt semnificativ mai ieftine și mai sigure decât bateriile litiu-ion.
Bateria Li-S de bază este formată dintr-un anod de litiu, un catod de sulf de carbon și un electrolit prin care trec ionii de litiu. În timpul descărcării, are loc o reacție chimică, în timpul căreia litiul anodului este transformat în sulfură de litiu, care se depune pe catod. Tensiunea bateriei este cuprinsă între 1,7 și 2,5 V, în funcție de descărcarea bateriei. Polisulfurile de litiu generate în timpul reacției afectează tensiunea bateriei.
Reacția chimică din baterie este însoțită de o serie de efecte secundare negative. Când sulful catodic absoarbe ionii de litiu din electrolit, se formează sulfura de litiu Li 2 S, care se depune pe catod. În același timp, volumul său crește cu 76%. În timpul încărcării, apare o reacție inversă, ceea ce duce la o scădere a dimensiunii catodului. Ca rezultat, catodul se confruntă cu suprasarcini mecanice semnificative, ceea ce duce la deteriorarea acestuia și pierderea contactului cu colectorul de curent. În plus, Li 2 S degradează contactul electric din catod între sulf și carbon (calea prin care se mișcă electronii) și previne fluxul ionilor de litiu către suprafața sulfului.
O altă problemă este legată de faptul că în timpul reacției dintre sulf și litiu, Li 2 S nu se formează imediat, ci printr-o serie de transformări, în timpul cărora se formează polisulfuri (Li 2 S 8, Li 2 S 6 etc.) . Dar dacă sulful și Li 2 S sunt insolubili în electrolit, atunci polisulfurile, dimpotrivă, se dizolvă. Acest lucru duce la o scădere treptată a cantității de sulf pe catod. O altă problemă este apariția rugozității pe suprafața anodului de litiu în timpul trecerii curenților mari de descărcare și încărcare. Toate acestea, luate împreună, au condus la faptul că o astfel de baterie nu poate rezista la mai mult de 50-60 cicluri de descărcare-încărcare și a făcut-o nepotrivită pentru o utilizare practică.
Cu toate acestea, cele mai recente evoluții ale americanilor din Laboratorul Național. Lawrence la Berkeley a reușit să depășească aceste neajunsuri. Au creat un catod unic realizat dintr-un material nanocompozit (grafen și oxid de sulf), a cărui integritate este menținută folosind un strat de polimer elastic. Prin urmare, o modificare a dimensiunilor catodului în timpul încărcării de descărcare nu duce la distrugerea acestuia. Un surfactant (surfactant) este utilizat pentru a proteja sulful de dizolvare. Deoarece surfactantul este cationic (adică este atras de suprafața stratului de sulf), acesta nu împiedică anionii de litiu să reacționeze cu sulf, dar nu permite polisulfidelor rezultate să se dizolve în electrolit, menținându-le sub stratul său. Un nou electrolit a fost, de asemenea, dezvoltat pe baza unui lichid ionic în care polisulfurile nu se dizolvă. Lichid ionic și mult mai sigur - nu arde și se evaporă cu greu.
Ca urmare a tuturor inovațiilor descrise, performanța bateriei este semnificativ crescută. Energia sa inițială specifică este de 500 W * h / kg, care este de peste două ori mai mare decât a bateriilor Li-ion. După 1500 de cicluri de încărcare de descărcare de 20 de ore (C = 0,05), energia sa specifică a scăzut la nivelul unei baterii Li-ion proaspete. După 1500 de cicluri de 1 oră (C = 1), scăderea a fost de 40-50%, dar bateria era încă funcțională. Când bateria a fost testată la putere mare, supunând-o unui ciclu de descărcare de 10 minute (C = 6), chiar și după 150 de astfel de cicluri, energia sa specifică a depășit-o pe cea a unei baterii Li-ion proaspete.
Prețul estimat al unei astfel de baterii Li-S nu va depăși 100 USD pentru fiecare kWh de capacitate. Multe dintre inovațiile propuse de echipa de cercetare Berkeley pot fi utilizate pentru îmbunătățirea bateriilor Li-ion existente. Pentru a crea un design practic al bateriei LiS, dezvoltatorii caută parteneri care vor finanța dezvoltarea finală a bateriei.
Baterii cu titanat de litiu
Cea mai mare problemă cu bateriile litiu-ion moderne este eficiența redusă, în primul rând datorită faptului că materialele de stocare a energiei ocupă doar 25% din volumul bateriei. Restul de 75% sunt materiale inerte: carcasă, filme conductoare, lipici etc. Din acest motiv, bateriile moderne sunt prea voluminoase și scumpe. Noua tehnologie implică o reducere semnificativă a materialelor „reziduale” în proiectarea bateriilor.
Cele mai noi baterii litiu-titanat au contribuit la depășirea unui alt dezavantaj al bateriilor Li-ion - fragilitatea și timpul de reîncărcare. În cursul cercetărilor, s-a constatat că, atunci când se încarcă cu curenți mari, ionii de litiu sunt forțați să „vadă” între microplăcile de grafit, distrugând astfel treptat electrozii. Prin urmare, grafitul din electrozi a fost înlocuit cu structuri de nanoparticule de titanat de litiu. Acestea nu interferează cu mișcarea ionilor, ceea ce a dus în cele din urmă la o creștere fantastică a duratei de viață - peste 15.000 de cicluri pe parcursul a 12 ani! Timpul de încărcare este redus de la 6-8 ore la 10-15 minute. Avantajele suplimentare sunt stabilitatea termică și toxicitatea mai mică.
Conform calculelor experților, noile baterii vor avea o densitate de energie de două ori mai mare decât cea mai bună performanță a bateriilor moderne litiu-ion. Astfel, cu o autonomie constantă a mașinii electrice, bateria sa va fi mai ușoară și, cu aceeași greutate, autonomia va fi semnificativ mărită. Dacă noua baterie poate fi pusă în producție, kilometrajul vehiculelor electrice compacte (care nu pot fi echipate cu o baterie mare și grea) va crește în medie de la 150 km la 300 km cu o singură încărcare. În același timp, noile baterii vor fi la jumătate din prețul celor actuale - doar 250 USD pe kW / h.
Baterii de aer cu litiu
Tehnologia nu stă pe loc, iar oamenii de știință lucrează deja la crearea unui design practic pentru o baterie litiu-aer (LiO 2). Capacitatea sa teoretică de energie este de 8-10 ori mai mare decât cea a litiului-ion. Pentru a reduce greutatea bateriei, menținând sau chiar crescând capacitatea sa, oamenii de știință au propus o soluție radicală - respingerea catodului tradițional: litiul va interacționa direct cu oxigenul din aer. Datorită catodului catalitic de aer, este de așteptat nu numai creșterea capacității energetice a bateriei, ci și reducerea volumului și greutății acesteia cu aproape aceeași cantitate.
Pentru producția în masă, tehnologia litiu-aer necesită soluționarea multor probleme tehnice și științifice, inclusiv crearea unui catalizator eficient, a unui anod de litiu și a unui electrolit solid stabil capabil să funcționeze la temperaturi scăzute (până la -50C). În plus, este necesar să se dezvolte o tehnică pentru aplicarea unui catalizator pe suprafața catodului, să se creeze o membrană care să împiedice pătrunderea oxigenului în anodul de litiu și, de asemenea, să se dezvolte metode pentru fabricarea electrozilor poroși speciali.
Imaginați-vă un telefon mobil care deține o taxă de peste o săptămână și apoi se încarcă în 15 minute. Fantastic? Dar poate deveni realitate datorită unui nou studiu realizat de oamenii de știință de la Universitatea Northwestern (Evanston, Illinois, SUA). O echipă de ingineri a dezvoltat un electrod pentru bateriile reîncărcabile litiu-ion (care sunt folosite astăzi în majoritatea telefoanelor mobile), care le-au mărit capacitatea de energie de 10 ori. Surprizele plăcute nu se limitează la acest lucru - noile dispozitive cu baterii sunt capabile să se încarce de 10 ori mai repede decât cele actuale.
Pentru a depăși limitările impuse de tehnologiile existente asupra capacității energetice și a ratei de încărcare a bateriei, oamenii de știință au aplicat două abordări diferite de inginerie chimică. Bateria rezultată nu numai că va prelungi durata de funcționare a dispozitivelor electronice mici (cum ar fi telefoanele și laptopurile), ci va deschide calea dezvoltării unor baterii mai eficiente și compacte pentru vehiculele electrice.
„Am găsit o modalitate de a extinde timpul de reținere al noii baterii litiu-ion de 10 ori”, a spus profesorul Harold H. Kung, unul dintre autorii principali ai studiului. "Chiar și după 150 de sesiuni de încărcare / descărcare, ceea ce înseamnă cel puțin un an de funcționare, acesta rămâne de cinci ori mai eficient decât bateriile litiu-ion de pe piață astăzi."
Funcționarea unei baterii litiu-ion se bazează pe o reacție chimică în care ionii de litiu se mișcă între un anod și un catod plasat la capetele opuse ale bateriei. În timpul funcționării bateriei, ionii de litiu migrează de la anod prin electrolit la catod. La încărcare, direcția lor este inversată. Bateriile existente în prezent au două limitări importante. Capacitatea lor de energie - adică timpul în care o baterie poate reține o încărcare - este limitată de densitatea de încărcare sau de câți ioni de litiu pot fi găzduiți la anod sau catod. În același timp, rata de încărcare a unei astfel de baterii este limitată de rata la care ionii de litiu sunt capabili să se deplaseze prin electrolit către anod.
În bateriile reîncărcabile actuale, un anod format din multe foi de grafen poate avea doar un atom de litiu pentru fiecare șase atomi de carbon (din care este compus grafenul). În încercarea de a crește capacitatea energetică a bateriilor, oamenii de știință au experimentat deja înlocuirea carbonului cu siliciu, care poate conține mult mai mult litiu: patru atomi de litiu pentru fiecare atom de siliciu. Cu toate acestea, în timpul încărcării, siliciul se extinde și se contractă brusc, ceea ce determină fragmentarea substanței anodice și, ca urmare, o pierdere rapidă a capacității de încărcare a bateriei.
În prezent, rata redusă de încărcare a bateriei se explică prin forma foilor de grafen: în comparație cu grosimea (constituind un singur atom), lungimea lor este prohibitiv de mare. În timpul încărcării, ionul de litiu trebuie să se deplaseze către marginile exterioare ale foilor de grafen, apoi să treacă între ele și să se oprească undeva în interior. Deoarece litiul durează mult timp pentru a ajunge la mijlocul unei foi de grafen, la margini se observă ceva de genul unui blocaj ionic.
După cum sa menționat, echipa de cercetare a lui Kuong a rezolvat ambele probleme adoptând două tehnologii diferite. În primul rând, pentru a asigura stabilitatea siliciului și pentru a menține astfel capacitatea maximă de încărcare a bateriei, aceștia au plasat clustere de siliciu între foile de grafen. Acest lucru a făcut posibilă creșterea numărului de ioni de litiu din electrod, utilizând în același timp flexibilitatea foilor de grafen pentru a ține cont de modificările volumului de siliciu în timpul încărcării / descărcării bateriei.
„Acum ucidem ambele păsări cu o singură piatră”, spune Kung. „Datorită siliciului, obținem o densitate de energie mai mare, iar intercalarea stratului reduce pierderile de putere cauzate de expansiunea și contracția siliciului. Chiar și cu distrugerea clusterelor de siliciu, siliciu în sine nu va merge nicăieri altundeva. "
În plus, cercetătorii au folosit procesul de oxidare chimică pentru a crea găuri miniaturale (10-20 nanometri) în foi de grafen („defecte în plan”), care oferă ionilor de litiu cu „acces rapid” în interiorul anodului, urmat prin depozitare în ea ca urmare a reacției cu siliciu. Acest lucru a redus timpul necesar încărcării bateriei cu un factor de 10.
Până în prezent, toate eforturile de optimizare a performanței bateriei s-au concentrat pe una dintre componentele lor - anodul. În etapa următoare a cercetării, oamenii de știință intenționează să studieze modificările catodului în același scop. În plus, vor să modifice sistemul de electroliți, astfel încât bateria să poată opri automat (și reversibil) la temperaturi ridicate - un mecanism de protecție similar ar putea fi util atunci când utilizați bateriile în vehiculele electrice.
Potrivit dezvoltatorilor, în forma sa actuală, noua tehnologie ar trebui să intre pe piață în următorii trei până la cinci ani. Un articol despre rezultatele cercetării și dezvoltării noilor baterii de stocare a fost publicat în revista „Advanced Energy Materials”.
În fiecare an, numărul de dispozitive din lume care sunt alimentate cu baterii reîncărcabile crește constant. Nu este un secret faptul că bateriile sunt cea mai slabă verigă a dispozitivelor moderne. Trebuie reîncărcate în mod regulat, nu au o capacitate atât de mare. Bateriile reîncărcabile existente vă permit cu greu să realizați o funcționare autonomă a unei tablete sau a unui computer mobil timp de câteva zile.
Prin urmare, producătorii de vehicule electrice, tablete și smartphone-uri caută astăzi modalități de a stoca cantități semnificative de energie în volume mai compacte ale bateriei. În ciuda diferitelor cerințe pentru bateriile pentru vehiculele electrice și dispozitivele mobile, paralele pot fi ușor trasate între cele două. În special, celebra mașină electrică Tesla Roadster este alimentată de o baterie litiu-ion dezvoltată special pentru laptopuri. Este adevărat, pentru a furniza energie electrică unei mașini sport, inginerii au trebuit să folosească mai mult de șase mii de baterii în același timp.
Fie că este vorba de un vehicul electric sau de un dispozitiv mobil, cerințele universale pentru bateria viitorului sunt clare - trebuie să fie mai mic, mai ușor și să stocheze mult mai multă energie. Ce evoluții promițătoare în acest domeniu pot satisface aceste cerințe?
Baterii litiu-ion și litiu-polimer
Baterie Li-ion pentru cameră
Astăzi, bateriile litiu-ion și litiu-polimer sunt cele mai utilizate pe dispozitivele mobile. În ceea ce privește bateriile litiu-ion (Li-Ion), acestea au fost produse de la începutul anilor 90. Principalul lor avantaj este o densitate de energie destul de mare, adică capacitatea de a stoca o anumită cantitate de energie pe unitate de masă. În plus, astfel de baterii nu au notoriu „efect de memorie” și au o descărcare de sine relativ scăzută.
Utilizarea litiului este destul de justificată, deoarece acest element are un potențial electrochimic ridicat. Dezavantajul tuturor bateriilor litiu-ion, dintre care există de fapt un număr mare de tipuri, este îmbătrânirea destul de rapidă a bateriei, adică o scădere bruscă a performanței în timpul depozitării sau utilizării pe termen lung a bateriei. În plus, potențialul de capacitate al bateriilor moderne litiu-ion pare să fie aproape epuizat.
Alte dezvoltări ale tehnologiei litiu-ion sunt sursele de alimentare litiu-polimer (Li-Pol). Folosesc un material solid în locul unui electrolit lichid. Comparativ cu predecesorul său, bateriile litiu-polimer au o densitate de energie mai mare. În plus, acum era posibilă fabricarea bateriilor în aproape orice formă (tehnologia litiu-ion necesită doar o carcasă cilindrică sau dreptunghiulară). Astfel de baterii sunt de dimensiuni mici, ceea ce le permite să fie utilizate cu succes pe diferite dispozitive mobile.
Cu toate acestea, aspectul bateriilor litiu-polimer nu a schimbat în mod fundamental situația, în special, deoarece aceste baterii nu sunt capabile să furnizeze curenți mari de descărcare, iar capacitatea lor specifică este încă insuficientă pentru a salva omenirea de nevoia de a reîncărca în mod constant dispozitivele mobile. În plus, bateriile litiu-polimer sunt destul de "capricioase" în funcționare, au o rezistență insuficientă și au tendința de a lua foc.
Tehnologii avansate
În ultimii ani, oamenii de știință și cercetătorii din diferite țări au lucrat activ pentru a crea tehnologii mai avansate ale bateriilor care să le înlocuiască pe cele existente în viitorul apropiat. În acest sens, pot fi identificate mai multe dintre cele mai promițătoare domenii:
- Baterii cu litiu sulf (Li-S)
O baterie litiu-sulf este o tehnologie promițătoare, capacitatea energetică a unei astfel de baterii este de două ori mai mare decât a unei baterii litiu-ion. Dar, în teorie, ar putea fi chiar mai mare. Într-o astfel de sursă de energie, se folosește un catod lichid cu un conținut de sulf, în timp ce este separat de electrolit printr-o membrană specială. Capacitatea specifică a crescut semnificativ datorită interacțiunii anodului de litiu și a catodului care conține sulf. Prima probă a unei astfel de baterii a apărut în 2004. De atunci, s-au făcut unele progrese, datorită cărora bateria litiu-sulf îmbunătățită este capabilă să reziste la o mie și jumătate de mii de cicluri de încărcare-descărcare complete, fără pierderi grave de capacitate.
Avantajele acestei baterii includ, de asemenea, capacitatea de utilizare într-un interval larg de temperaturi, nu este nevoie să utilizați componente de protecție întărite și un cost relativ scăzut. Un fapt interesant - datorită utilizării unei astfel de baterii, în 2008 a fost stabilit recordul pentru durata zborului pe un avion alimentat cu baterii solare. Dar pentru producția în masă a unei baterii litiu-sulf, oamenii de știință trebuie să rezolve încă două probleme principale. Este necesar să se găsească o modalitate eficientă de utilizare a sulfului, precum și să se asigure funcționarea stabilă a sursei de energie în condiții de schimbare a condițiilor de temperatură sau umiditate.
- Baterii cu sulf de magneziu (Mg / S)
Bateriile bazate pe o combinație de magneziu și sulf pot, de asemenea, ocoli bateriile tradiționale cu litiu. Este adevărat, până de curând, nimeni nu putea asigura interacțiunea acestor elemente într-o singură celulă. Bateria de magneziu-sulf în sine arată foarte interesantă, deoarece densitatea sa de energie poate ajunge la mai mult de 4000 Wh / l. Nu cu mult timp în urmă, datorită cercetătorilor americani, se pare că a fost posibil să se rezolve problema principală cu care se confruntă dezvoltarea bateriilor cu magneziu-sulf. Faptul este că pentru perechea de magneziu și sulf nu a existat un electrolit adecvat compatibil cu aceste elemente chimice.
Cu toate acestea, oamenii de știință au reușit să creeze un astfel de electrolit acceptabil datorită formării particulelor cristaline speciale care asigură stabilizarea electrolitului. O probă dintr-o baterie de magneziu-sulf include un anod de magneziu, un separator, un catod de sulf și un nou electrolit. Cu toate acestea, acesta este doar primul pas. Din păcate, un eșantion promițător nu diferă încă în ceea ce privește durabilitatea.
- Baterii ion fluor
O altă sursă de energie interesantă care a apărut în ultimii ani. Aici, anionii de fluor sunt responsabili pentru transferul de sarcină între electrozi. În acest caz, anodul și catodul conțin metale care sunt transformate (în conformitate cu direcția curentului) în fluoruri sau reduse înapoi. Aceasta oferă o capacitate semnificativă a bateriei. Oamenii de știință susțin că astfel de surse de alimentare au o densitate de energie care este de zeci de ori mai mare decât capacitățile bateriilor litiu-ion. În plus față de capacitatea lor semnificativă, noile baterii se laudă și cu un pericol de incendiu semnificativ mai mic.
Multe opțiuni au fost încercate pentru rolul bazei unui electrolit solid, dar alegerea s-a bazat în cele din urmă pe lantanul de bariu. În timp ce tehnologia ionilor de fluor pare a fi o soluție foarte promițătoare, nu este lipsită de dezavantajele sale. La urma urmei, un electrolit solid poate funcționa stabil doar la temperaturi ridicate. Prin urmare, cercetătorii se confruntă cu sarcina de a găsi un electrolit lichid care să poată funcționa cu succes la temperatura camerei obișnuită.
- Baterii litiu-aer (Li-O2)
În zilele noastre, omenirea se străduiește să utilizeze surse de energie „mai curate” asociate cu generarea de energie din soare, vânt sau apă. În acest sens, bateriile litiu-aer par a fi foarte interesante. În primul rând, sunt considerați de mulți experți ca viitorul vehiculelor electrice, dar în timp pot găsi aplicații pe dispozitive mobile. Aceste surse de alimentare au capacități foarte mari și sunt de dimensiuni relativ mici. Principiul muncii lor este după cum urmează: în loc de oxizi metalici, carbonul este utilizat în electrodul pozitiv, care intră într-o reacție chimică cu aerul, în urma căruia se creează un curent. Adică, oxigenul este parțial utilizat pentru a genera energie.
Utilizarea oxigenului ca material activ al catodului are avantajele sale semnificative, deoarece este un element aproape inepuizabil și, cel mai important, este preluat din mediu absolut gratuit. Se crede că densitatea energetică a bateriilor litiu-aer poate atinge un impresionant 10.000 Wh / kg. Poate că, în viitorul apropiat, astfel de baterii vor putea pune vehiculele electrice la egalitate cu mașinile pe benzină. Apropo, bateriile de acest tip, lansate pentru gadgeturi mobile, pot fi deja găsite la vânzare sub numele PolyPlus.
- Baterii nanofosfat de litiu
Sursele de alimentare cu nanofosfat de litiu sunt următoarea generație de baterii litiu-ion cu eficiență ridicată a curentului și încărcare ultrarapidă. Durează doar cincisprezece minute pentru a încărca complet o astfel de baterie. De asemenea, permit cicluri de zece ori mai mari decât celulele litiu-ion standard. Aceste caracteristici au fost realizate prin utilizarea nanoparticulelor speciale capabile să asigure un flux de ioni mai intens.
Avantajele bateriilor cu litiu-nanofosfat includ, de asemenea, auto-descărcare redusă, fără „efect de memorie” și capacitatea de a lucra într-un interval larg de temperaturi. Bateriile cu nanofosfat de litiu sunt deja disponibile comercial și sunt utilizate pentru anumite tipuri de dispozitive, dar proliferarea lor este împiedicată de necesitatea unui încărcător special și a unei greutăți mai mari în comparație cu bateriile moderne litiu-ion sau litiu-polimer.
De fapt, există mult mai multe tehnologii promițătoare în domeniul creării bateriilor reîncărcabile. Oamenii de știință și cercetătorii lucrează nu numai pentru a crea soluții fundamental noi, ci și pentru a îmbunătăți performanța bateriilor litiu-ion existente. De exemplu, prin utilizarea nanofirelor de siliciu sau dezvoltarea unui nou electrod cu o capacitate unică de „auto-vindecare”. În orice caz, ziua nu este departe când telefoanele noastre și alte dispozitive mobile vor trăi săptămâni întregi cu o singură încărcare.